CHAMPS & PARTICULES. Proton & Neutron. Alain Bouquet. Laboratoire AstroParticule & Cosmologie

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1 CHAMPS & PARTICULES Proton & Neutron Alain Bouquet Laboratoire AstroParticule & Cosmologie Université Denis Diderot Paris 7, CNRS, Observatoire de Paris & CEA

2 Rutherford Et le proton 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 2

3 Éléments pour un modèle du noyau en 1914 Le numéro atomique Z indique la charge positive +Ze du noyau [van den Broek 1911, Moseley 1914] La masse atomique A (en unités de la masse de l hydrogène) est à peu près le double du numéro atomique Z Un même élément chimique (même Z) peut exister sous formes d isotopes dont la masse atomique A diffère [Soddy 1911] Radioactivité alpha il y a des particules alpha (noyaux d hélium) dans certains noyaux Radioactivité bêta il y a des particules bêta (électrons) dans certains noyaux 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 3

4 Une nouvelle bizarrerie expérimentale Avec Marsden, Rutherford bombardait en 1915 de l hydrogène avec des particules alpha (source = radon) observation de reculs de l hydrogène mais Marsden signala une émission d hydrogène par le radon avant le remplissage de la chambre en hydrogène " Rutherford ne crut pas à une nouvelle forme de radioactivité, mais plutôt à une contamination de l appareillage par l hydrogène " Il nota en que s il remplissait la chambre d oxygène ou de gaz carbonique, le nombre de scintillations attribuables à l hydrogène diminuait, comme il s y attendait " Mais il augmentait quand la chambre était remplie d air et plus encore d azote 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 4

5 Le proton Interprétation de Rutherford en 1919 Carbone: masse atomique 12 = 3 alphas Oxygène: masse atomique 16 = 4 alphas Mais azote: masse atomique 14 = 3 alphas + 2 hydrogènes périphériques, facilement arrachables Il pensait avoir observé la réaction alpha + azote -> hydrogène + carbone + alpha «We must conclude that the nitrogen atom is disintegrated under the intense force developed in a close collision with a swift alpha particle, and that the hydrogen atom which is liberated formed a constituent part of the nitrogen nucleus.» E. Rutherford, Philosophical Magazine June /11/12 Alain Bouquet Particules 6 5

6 Conséquence 1 Les transmutations nucléaires ne sont pas limitées aux éléments lourds radioactifs Les collisions d alphas permettent de sonder en profondeur les noyaux, pas seulement le cortège des électrons une nouvelle technique de recherche s ouvrait limitée par la faible énergie des alphas d où le développement des accélérateurs 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 6

7 Conséquence 2 Il y a bien des noyaux d hydrogène dans le noyau d azote En 1920, Rutherford les baptise proton (du grec πρῶτον premier) Les expériences de Rutherford valident - apparemment - l image du noyau comme un assemblage de A protons A-Z électrons «nucléaires» } associés de préférence en sous-structures alpha " Nombreux modèles qualitatifs pour rendre compte des régularités empiriques " peu prédictifs " en conflit avec la mécanique quantique 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 7

8 Le neutron 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 8

9 Le «neutron» de Rutherford Rutherford (Conférence Bakérienne Nuclear Constitution of Atoms, 1920) Bilan et perspectives des bombardements de noyaux par des α Noyau d azote (Z = 7) formé d un cœur de 3 alphas, plus un proton isolé «satellite», éjecté dans une collision avec un alpha Masse A = 14 un deuxième proton additionnel? Et la charge électrique? Rutherford suggère la possibilité d un état [p+e] très lié Expliquerait la formation de tous les noyaux à partir de l hydrogène malgré la répulsion électrostatique Idée développée par G. Gamow, W.D. Harkins et d autres dans les années 1920 Possibilité envisagée d un «diplon» ( 2 H) et d un «triplon» ( 3 H) Recherche infructueuse de ce «neutron» par Chadwick, pendant 12 ans Scintillations sans déflexion par un champ électromagnétique Étude du béryllium par bombardement alpha: il ne donne pas de protons, mais peut-être donne-t-il des «neutrons»? 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 9

10 Walter Bothe ( ) Étudie à partir de 1927 les transmutations par bombardement d alphas alpha + noyau p + noyau Idée de Bothe: le noyau final est probablement produit dans un état excité expérience pour détecter les gammas de désexcitation Barrière coulombienne entre alpha et noyau focalisation sur les éléments légers : lithium, bore, béryllium 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 10

11 L expérience de Bothe et Becker (1) Po! Une expérience très simple «sur un coin de table» α Source: alphas du polonium [intensité ~ 5 mci] (Po pour éviter la contamination γ des autres sources) Cible: noyaux légers (lithium, béryllium, bore, fluor, magnésium, aluminium) γ p! Li,Be,B! Compteur: compteur Geiger à pointe, pour compter les gammas fenêtre épaisse (arrête α et «rayons H» = protons) compteur d impulsions (relais téléphoniques) Énergie des γ évaluée par interposition de plaques de plomb 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 11

12 L expérience de Bothe et Becker (2) Observation d un rayonnement ionisant résiduel Po! Comme prévu! Énergie γ ~ 5 MeV [intensité 30% / cm Pb] E γ > E γ habituelle en radioactivité Les γ de désexcitation attendus? α γ Be! Cas particulier du béryllium Pas de proton émis Rayonnement pénétrant beaucoup plus intense Bothe : formation d un noyau excité de carbone 13? 4 2 He Be 13 6 C* 13 6 C + γ 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 12

13 Irène Curie et Frédéric Joliot Irène Curie ( ) fille aînée de Pierre et de Marie Curie principale collaboratrice de sa mère à partir de 1918 thèse en 1926 sur la portée des particules alpha dans la matière Frédéric Joliot ( ) ingénieur EPCI, élève de Paul Langevin préparateur de Marie Curie fin 1924 épousa Irène Curie en 1926 thèse en 1930 sur l électrochimie du polonium Découverte de la radioactivité «artificielle» en 1934 prix Nobel de chimie 1935 premiers accélérateurs en France (F. Joliot) capture des neutrons par l uranium (I. Curie) Réaction en chaîne: brevets de F. Joliot en mai 1939, couvrant la réalisation d un réacteur et d une bombe nucléaires Création du CEA en 1945 et de l Institut de Physique Nucléaire d Orsay en /11/12 Alain Bouquet Particules 6 13

14 Irène Curie et Frédéric Joliot 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 14

15 L expérience des Joliot-Curie Intrigués par les résultats de Bothe, ils refont l expérience différemment en décembre 1931 Source de polonium très intense [100 mci] Cibles de lithium, de bore ou de béryllium Possibilité d interposer des écrans variés Chambre d ionisation au lieu du compteur Geiger tradition vénérée de l Institut du Radium de Paris proportionnelle, au lieu de tout ou rien fenêtre d entrée très mince (5 µm d aluminium) pour être très peu absorbante aux rayonnements secondaires éventuels expérience plus «ouverte» à l imprévu 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 15

16 L expérience des Joliot-Curie (janvier 1932) Confirmation des résultats de Bothe avec le béryllium énergie γ > 3 fois celle des α étude de l effet de ces γ de très haute énergie sur différentes substances par interposition d écrans RIEN sauf avec la paraffine forte augmentation du courant d ionisation Raisonnement des Joliot-Curie: des protons traversent la chambre d ionisation le béryllium ne produit pas de proton par bombardement α donc les protons ne viennent pas du béryllium, mais de l écran seule la paraffine produit cet effet ce n est donc pas une transmutation nucléaire des noyaux de l écran les protons sont donc les noyaux d hydrogène éjectés de l écran 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 16

17 L expérience des Joliot-Curie Interprétation des Joliot-Curie : effet Compton γp γp avec E γ ~ 50 MeV Réactions négatives sur l interprétation des Joliot-Curie à Rome, Majorana démontre que la cinématique impose que le projectile a pas une masse nulle mais une masse proche de celle du proton, mais il ne publie rien malgré la demande pressante de Fermi à Cambridge, Rutherford trouve aussi l explication invraisemblable Chadwick Deux difficultés: 1. La probabilité d un effet Compton est de plusieurs ordres de grandeur trop faible (les Joliot- Curie en sont parfaitement conscients et ils invoquent une nouvelle forme d interaction) 2. Une énergie de 50 MeV pour un viole la conservation de l énergie ou contredit l existence de sous-structures α dans le noyau Be9 = 2α+ p + e Eγ < 14 MeV Be9 = 9p + 5 e Eγ < 70 MeV 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 17

18 James Chadwick ( ) Études à Manchester, se passionne pour la radioactivité dans le laboratoire de Rutherford, où il côtoie Geiger, Marsden, Moseley, Bohr Obtient son MSc en 1913 et reçoit une bourse pour aller à Berlin au Reichsanstalt, dirigé par Geiger; il y découvre que le spectre bêta est continu; interné en Allemagne pendant la durée de la guerre Rejoint ensuite Rutherford à Manchester, puis à Cambridge où, directeur-adjoint du Cavendish, il supervise toutes les recherches 1932: le neutron 1935: prix Nobel de physique. Crée son propre laboratoire à Liverpool, où il construit un cyclotron 1940: mémorandum de Frisch et Peierls, comité MAUD : dirige la mission britannique à Los Alamos (programme Manhattan) 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 18

19 L expérience de Chadwick (février 1932) Écran de paraffine nombre de déflexions augmente Insertion de feuilles d aluminium absorption compatible avec des protons Écrans successifs: lithium, béryllium, bore, carbone, azote Puis remplissage de la chambre: hydrogène, hélium, azote, oxygène, argon 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 19

20 Les résultats Le montage était bien plus sensible que celui des Joliot-Curie Chadwick pouvait observer l éjection de noyaux plus lourds que l hydrogène (He, Li, Be, C, N, O ) Quel était donc le projectile neutre? Un gamma? énergie du gamma extrêmement élevée [50 à 100 MeV] dépendant de la nature du noyau éjecté ó impossible Inversement: énergie du projectile constante masse du projectile voisine de celle du proton énergie du projectile ~ 5 MeV Chadwick avait enfin découvert «son» neutron! 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 20

21 Publications n Premier article le 17 février, très prudent: Possible Existence of a Neutron n Deuxième article le 10 mai, nettement plus affirmatif : The Existence of a Neutron 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 21

22 Le neutron est-il une particule élémentaire? État lié (Rutherford 1920) ou non? p+e=1.007 amu Chadwick 1932 m neutron ~ amu état lié Joliot 1933 m neutron ~ amu élémentaire Lawrence 1933 m neutron ~ amu état lié Chadwick 1934 m neutron ~ amu [photodissociation du deutérium] M neutron > M proton + M électron le neutron est élémentaire Difficultés avec la mécanique quantique inégalité de Heisenberg un électron dans un noyau de taille m énergie > 100 MeV il n y a pas d électron dans le noyau le noyau d azote formé de 7 protons (de spin ½) et 7 neutrons a un spin total de 1 le spin du neutron est nécessairement demi-entier mais si le neutron était un état lié d un proton (spin ½) et d un électron (spin ½), son spin serait entier le neutron est élémentaire 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 22

23 Le noyau après la découverte du neutron Découverte du neutron noyau formé de Z protons et N neutrons Masse proton ~ masse neutron masse du noyau ~ (Z+N)m p = Am p 1 1 H 4 2 He 12 6 C Al etc. Questions ouvertes Relation entre proton, neutron et électron proton charge +1 neutron charge 0 Possibilité d autres isotopes que ceux connus? électron charge 1 Cohésion du noyau vis à vis de la répulsion électromagnétique des protons 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 23

24 La radioactivité «artificielle» 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 24

25 Tableau périodique des éléments Technétium (1937) Astate (1940) Francium (1939) Neptunium (1940) Plutonium (1940) Prométhium (1945) 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 25

26 Une bonne idée et un résultat inattendu À la recherche de l élément Z=85 manquant SI le polonium (Z=84) subissait une transmutation β (transformant un neutron en proton), il donnerait Z=85 Possible? polonium 210 plomb 206 (Z=82) en émettant un α (Marie Curie 1898) le bismuth 212 (Z=83) est à la fois émetteur α et β, ainsi que les bismuths 211, 213 et 214 recherche d un mode rare source très intense de Po210 feuille d aluminium pour arrêter les α chambre de Wilson pour les β résultat inattendu (été 1933) pas d électrons ( pas de Z=85) des protons (α + Al p + Si?) des positrons Interprétation : p n + e + = transmutation bêta inverse 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 26

27 Une petite expérience de contrôle Idée : détecter les neutrons et les positrons impossible alors à faire simultanément : neutron, positron (et neutrino) partant dans toutes les directions idée de vérifier que neutrons et positrons apparaissaient quand l énergie des α franchissait le même seuil expérience en 2 temps 1. mesure du seuil en α pour les neutrons 2. mesure du seuil en α pour les positrons Varier l énergie des α ó les ralentir par collision sur un gaz Montage simple Source des α: polonium 210 Freinage: enceinte remplie de gaz carbonique dont ont peut varier la pression (P ó E α ) Écran d aluminium arrêtant les α Détecteur de neutrons: chambre d ionisation aux parois paraffinées (le neutron éjecte un proton qui ionise du butane) Détecteur de positrons: compteur Geiger-Müller 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 27

28 Le montage expérimental 1 étape : seuil des neutrons 2 étape : seuil des positrons Décembre 1933 : mesure du seuil d apparition des neutrons Janvier 1934 : Joliot passe aux positrons 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 28

29 Joliot découvre la radioactivité artificielle Jeudi 11 janvier 1934 : Joliot remplit la chambre de gaz carbonique puis commence à pomper le gaz Quand la pression tombe en-dessous du même seuil que pour les neutrons, le compteur commence à enregistrer le passage de positrons succès total de l hypothèse des Joliot-Curie p e + +n Joliot réintroduit du gaz, la pression repasse au-dessus du seuil, et le compteur continue à cliqueter Joliot remarque cependant que le rythme des cliquetis diminue rapidement décroissance radioactive? 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 29

30 Que s est-il passé? Joliot simplifie le montage irradiation directe de la feuille d aluminium par le polonium posé dessus puis mesure avec le compteur Geiger de la décroissance de la radioactivité résultante le nombre de positrons diminue de moitié toutes les 3 mn (2mn30 en fait) 1 hypothèse : un défaut du compteur Geiger nouveauté au laboratoire comportement parfois capricieux une sorte de rémanence du compteur? vérifications avec Wolfgang Gentner (post-doc) 2 hypothèse : synthèse d un nouveau corps radioactif leur flux augmente avec la durée préalable d irradiation, mais se stabilise au delà de 15 mn aluminium 27 = 13 p + 14 n alpha = 2p + 2n [15p + 15n] + 1n émis Z = 15 phosphore, mais 30 P phosphore naturel = phosphore P 30 Si + e + (+ν) 30 Si stable (3% du Si naturel) 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 30

31 Étude systématique Irène et Frédéric Joliot-Curie travaillent intensément les vendredi 12 et samedi 13 (l Académie des Sciences tient séance le lundi) 1. Répétition de l expérience avec l aluminium 2. Irradiation du bore (Z=5) 10 5 B α 13 7 N + n 13 7 N 13 6 C + e+ (+ν) ½ vie 10 mn 3. Irradiation du magnésium (Z=12) corps radioactif de ½ vie 2mn Mg + α Si + n Si Al + e+ (+ν) ½ vie 4 s En fait non : magnésium naturel = 80% 24 Mg, 10% 25 Mg et 10% 26 Mg Mg + α Al + p Al Si + e (+ν) 4. Mesure de la distribution en énergie des positrons (par interposition d écrans) distribution continue comme pour les β 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 31

32 Radiophosphore Comment démontrer que c est bien du phosphore qui s est formé? dissolution de la feuille d aluminium par l acide chlorhydrique 2 Al + 6 HCl 2 AlCl H 2 l hydrogène naissant entraîne le phosphore (hydrogène phosphoré PH 3 ) mesure de la décroissance de la radioactivité du phosphore formé par l irradiation Traitement chimique du bore irradié ammoniac NH 3 donc on forme bien de l azote Publications (C.R.Acad.Sc.) 15 janvier et 29 janvier /11/12 Alain Bouquet Particules 6 32

33 Conséquences Frédéric Joliot avait créé un noyau n existant pas dans la nature Quels autres noyaux pourraient être créés? Lesquels seraient stables comme les carbones 12 et 13 oxygènes 16, 17 et 18 magnésiums 24, 25 et 26 Lesquels seraient instables? comme le phosphore 30 juste découvert ou le carbone 14 alors inconnu Applications à la biochimie Traceurs Imagerie «nucléaire» Radiothérapie (cobalt 60 ) 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 33

34 Merci de votre attention! 26/11/12 Alain Bouquet Particules 6 34